为何军舰舰首水线以下都有个“大鼻子”,它有什么作用?
▍为何军舰舰首水线以下都有个“大鼻子”,它有什么作用?
军舰舰首下面的“大鼻子”,叫做“球鼻艏”。其实不光是军舰有球鼻艏,大部分的远洋船舶都有球鼻艏。这个球鼻艏的功能很多,意义重大。
先说他的第一个作用吧,可以有效降低军舰、船舶航行时的兴波阻力。何谓“兴波阻力”?就是军舰航行时,会在水面产生波浪,这些波浪起伏、拍打在军舰上,就会制造一定的阻力,这个阻力就叫做兴波阻力。几千吨、上万吨的远洋舰船,长期在海上航行,消耗的燃料、动力本来就是巨大的,因此要让他们长期航行,必须设法降低燃料消耗。而降低消耗的措施之一,就是减少兴波阻力。
图为055大型驱逐舰下水,可见其舰首有巨大的球鼻艏。
球鼻艏就像是一根针,刺进前行的水面之下,让水流朝着军舰两侧散开,这样军舰的航行阻力就会大大降低。排水量越大、宽度越大的舰船,球鼻艏的作用就越是明显,球鼻艏也越大,毕竟只有这样才能让水流、波浪绕开军舰航行的方向。一般而言,球鼻艏有球形、水滴形、冲角形等多种样式,可以降低10%-20%的燃料消耗,对于提高舰船的速度和续航力,都有很大作用。
当然,对于军舰而言,这个球鼻艏还有另外一层重要作用,那就是安装军舰的舰艏声纳。声纳是军舰反潜时,用来搜索、定位、跟踪潜艇的重要装备,也是分辨潜艇声纹、判断潜艇型号的重要依据,对于现代化海战而言,对抗潜艇是重要的任务,日本海上自卫队就把反潜作战当作是自己的第二要务(第一要务是防空)。所以,声纳对于军舰,尤其是反潜军舰而言,是关键装备。
那么为什么声纳就必须要放在球鼻艏里呢?其实,一艘先进的反潜军舰,其声纳系统是复杂的,一般包括舰首声纳、舰壳声纳和拖曳声纳等3个部分,其中舰首声纳主要负责搜索军舰前行方向和正向一定角度内的水下目标,而舰壳声纳可以搜索军舰两侧的目标,舰尾的拖曳声纳则可以搜索军舰四周的目标,并且由于拖曳声纳远离军舰的舰体,因此受到的噪音干扰较小,搜索的精准性和探测的距离更有优势。
所以,舰艏的声纳必须布置在军舰舰首的下方 ,才能有效发挥对航向正面的搜索能力,而且也只有远离舰体,才能降低噪音,所以布置在相对舰体,有一定独立性的球鼻艏内,是一个很好的选择。一般而言,先进战舰的舰首声纳基阵体积巨大,功率强悍,是一艘军舰上仅次于拖曳声纳的存在,远比舰壳声纳重要的多。
总而言之,存在即合理。一个不起眼的舰艏“大鼻子”,其实也蕴含着很多奥妙在里面,也有他巨大的作用,我们可千万不能小瞧了他!
▍为何军舰舰首水线以下都有个“大鼻子”,它有什么作用?
不仅仅是军舰,民用大型船舶的舰首都往往有一个“大鼻子”,这个“大鼻子”的专业名称是叫球鼻艏。一般来说,球鼻艏的作用就是减小兴波阻力。
众所周知,船舶在航行时,往往会使水面产生波浪,而此时这种波浪起伏的能量其实是由船体本身供给的,这毫无疑问会消耗掉一部分船舶推进功率,也就是说,一部分推进功率被阻力消耗了,这种阻力就是兴波阻力。
而球鼻艏这种设计就是为了减小船舶航行时产生的兴波阻力,提升船舶的航行效率。一般来说,球鼻艏的外形设计各不相同,有水滴形、冲角型、圆球形等多种形状,有统计资料显示,球鼻艏可降低船舶10%~20%的主机推进功率,提升船舶航行的速度和经济性,作用重大。
不过,军舰的球鼻艏设计作用更为巨大,和普通民用船舶的球鼻艏设计不同,军舰的球鼻艏并不是主要为了减小兴波阻力而存在的,它有一项更加重要的功能——容纳下球鼻艏声呐(舰首声呐)。
毕竟军舰的设计都是从作战角度上考虑的,很多设计必须满足军舰各种武器装备的作战环境要求。所以,为了完美融合球鼻艏声呐,军舰的球鼻艏在设计上就往往不能采用更加适合降低兴波阻力的外形,球鼻艏能够降低兴波阻力的能力在很多时候往往成为附加优势罢了,有些军舰的球鼻艏设计甚至还会增大兴波阻力。当然了,假如能够给声呐提供更好的探测工作环境,增强军舰的水下目标的搜索探测能力,这点代价还是值得的。
值得一提的是,军舰的球鼻艏里面是充满海水的,因为球鼻艏声呐是需要在海水里工作的。假如大功率声呐是在空气中开机工作,那么它自己将会把自己震得粉身碎骨,军舰的球鼻艏里面通常安装的是声呐的水声换能器,有些主动声呐的水声换能器的体积颇为巨大,直径达到3~5米,重量也达到数吨。
以美海军的DDG-1000“朱姆沃尔特”级驱逐舰为例,它就拥有一个巨大的球鼻艏,在船坞内看起来和它尖尖的舰艏非常不匹配,它里面就装备了中频的SQS-60声呐和高频SQS-61声呐,是DDG-1000驱逐舰综合水下作战系统(IUSW)的最主要部分。
▍为何军舰舰首水线以下都有个“大鼻子”,它有什么作用?
平时我们看远洋船舶和大型军舰时,经常会看到船首前端底部有一个突出的“大鼻子“,非常引人注目。它叫球鼻首,英文名“Bulbous Bow ”,就是一个球形的船首。
在军舰上,球鼻首里面会装重要的声呐设备。在一些大型船舶上,球鼻首里边还装着侧向推力器和声呐。其实,以上这些只是球鼻首的副业,它真正的主业是减小阻力。它的大小、尺寸和位置对于舰艇的航速、节能有重大影响。
据说历史上有一艘船在行驶中发生碰撞,使船首部突出来一块儿。大家都以为船体受损速度会降低,到达目的地时间将拖延。可没想到船速反而加快了,最终比预期的时间更早到达,这就是球鼻首的来历。
二战时期,日本最早在“翔鹤”航空母舰和“大和”号战列舰上使用球鼻首,提高了战舰速度。那球鼻首的原理是什么呢?
我们知道,船舶在海上行驶时,船首会划破水面将水分子向两边推开,激起一道V形波,分横波和散波。因为开尔文男爵最先对船波进行数学研究,所以称“开尔文船波”。
▲开尔文船波
螺旋桨产生的推力除了变成船舶航速外,一大部分能量在推开水分子过程中消耗了,这部分海水施加在船身上的阻力便是兴波阻力。
船舶在水面高速航行受到各种阻力,例如:兴波阻力、摩擦阻力、粘压阻力、附体阻力、空气阻力、汹涛阻力、污底阻力等等。其中兴波阻力在总阻力中占比很高。
为了减小兴波阻力,使舰艇航行更快更节省能量,人们便想办法去减小兴波阻力。因为两个波波峰、波谷互相叠加会抵消,所以人们就在船首下方又增加了一个突起的球鼻首,利用球状部分形成低压,抑制船首波高度。
因为水分子沿船首上行,所以连续船首波的波峰总在船头。通过合理设计,使球鼻首在船首下方产生一个相位相同但波峰波谷相反的球鼻首波,与船首波互相干涉抵消,就能达到减小兴波阻力的目的。
▲球鼻首波与船首波互相干涉抵消
球鼻艏有撞角型、水滴型、梨型、SV型等多种外形,设计不当的球鼻艏反而会增加阻力。
后来,人们发现游轮、集装箱船、军舰等瘦削的船型容易产生开尔文波,而散货船、油轮等丰满船型则没有明显开尔文波。
因为这类船水线宽度大,船首波沿船长传播之前就已经在船头破碎了,水流不连续。丰满船型受“碎波阻力”影响更大,所以散货船和油轮用球鼻艏减小碎波阻力。
当然,船舶航行不是匀速而是在不断变化中,船首波与球鼻首波两个波波幅大小不完全相同,所以兴波阻力不能完全抵消,但船舶满载时仍能节省10-20%的主机功率。相比之下,以前船舶的直立型船首浪费了不少能量。
▲泰坦尼克号是直立型船首,没有球鼻首
另外,球鼻首还有一个重要优点就是减小船舶纵向俯仰程度。许多船球鼻首中有装载压载水的首尖舱,当海况不好船舶纵向俯仰过大时,通过调节首尖舱内的压载水重量,就可以使船舶航行更稳定。
此外,当船舶在北冰洋等海冰水域航行时,船头挤开碎冰,球鼻首能让碎冰以湿润的那面接触船体滑行,达到减小摩擦系数,进而减小摩擦阻力的效果。和风漫谈原创,禁止抄袭。
当然,球鼻首虽好但不是在所有时间所有环境下都有效,它需要船舶达到一定速度才能形成足够的相反波形抵消兴波阻力。如果船舶速度太低,那球鼻首几乎不能形成相反波形,反而在水线以下增大船体总湿表面积,增加摩擦阻力。
对一些经济性要求很高的远洋货轮来说,快速不等于利润反而会增加燃料消耗,所以有些船东会主动降低速度,并将不起作用的球鼻首拆除。
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▍为何军舰舰首水线以下都有个“大鼻子”,它有什么作用?
那个大鼻子叫做“球鼻艏”,主要作用就是减小船舶在行进过程中的阻力,其实不仅仅是军舰,其他的中大型船舶基本上也有球鼻艏这样的设计,没有球鼻艏的一般是那些自重小于4000吨或者是速度低于12海里/小时的船只,比如小型游艇、拖船、帆船、摩托艇等,对了,还有早期的船舶也是没有球鼻艏的,像大家熟知的泰坦尼克号,如下图所示,以及二战时期的那些军舰,基本上也是没有球鼻艏的(少部分有),因为球鼻艏这玩意的制造工艺要求很高,当时的技术水平还造不出来。而今天的油轮、货轮以及部分军舰等大型船舶才有球鼻艏这样的结构。▲没有球鼻艏的泰坦尼克号
那么,球鼻艏是如何减小船舶在水中的行进阻力的呢?首先,我们要知道,船舶在水中行进会产生波浪,且这个波浪的能量其实就来源于船体自身,也就说,这些波浪其实就消耗了船舶推进动力的一部分能量,即在一定程度上减小了船舶的推进功率,所以船舶在行进过程中就不可避免地需要客服这个由波浪带来的阻力,而这个阻力也因此被称为兴波阻力或者造波阻力,比如下图所示,就是传统的弓形船艏在行进过程中产生的波浪:
▲传统弓形船艏产生的波阻
而如果想要减小船体受到的波阻,那么就需要有一个东西能够尽可能的消除波阻,这个东西就是前面提到的球鼻艏,球鼻艏的作用就是产生一个与船体波浪关于X轴对称的波峰、波谷相反的波,从而与船体波浪重合、抵消,起到消波、减阻的作用,即船体产生的波浪的波谷和球鼻艏产生的波浪的波峰互相重叠抵消,大概原理如下图所示,数字1为球鼻艏,2为传统弓形船艏,3是球鼻艏产生的波浪,4是传统弓形船艏产生的波浪,从图中可以看到这两个波的波峰和波谷是相反的,关于X轴对称,所以当这两个波重合后理论上就会互相抵消,在水线处形成波浪抵消的平缓区域,也就是图中的数字5,从而在一定程度上减小了船的兴波阻力。
▲球鼻艏减小兴波阻力原理图
因此,这就是球鼻艏的作用,实质上是减小了波浪流沿船体方向的压力分布,从而在一定程度上降低了波浪阻力。而对于现在的大型船舶来说,加装了合适的球鼻艏后,一般都可以减小10%左右的阻力,当然了,在球鼻艏的实际中设计中,是非常负责和讲究的,形状、高度、大小等都有着严格的要求,一旦设计不当,不仅仅不能起到减小船体阻力的作用,反而还会增加额外的阻力,减小船舶的推进功率。虽然球鼻艏可以说是现代大型船舶的标志之一,但是其实早在上世纪20年代,就已经开始有实验性质船舶加装球鼻艏了,而在50~60年代,日本东京大学的博士提出了现代球鼻艏的设计,到了80年代,计算机建模技术的发展,使得球鼻艏开始广泛应用于船舶设计中。
▍为何军舰舰首水线以下都有个“大鼻子”,它有什么作用?
现代绝大多数水面舰艇所谓的“大鼻子”一般称之为“球鼻艏”,但是从功能来说,叫做“声呐艏”更为恰当。与民用船舶通过优化“球鼻艏”的线性,来达到“减少船舶阻力、提高节能效果”不同,现代军用舰船的“球鼻艏”早期并不是为了减阻而设计的,而目前虽然开始注意水动力效果的影响,但是由于受到声呐体积、材料、船体结构等综合因素的制约,也并没有什么突破性的降低阻力设计的进展。所以,现代军舰的“大鼻子”你就当作是“艏声呐导流罩”就好。
▲美国阿利·伯克级驱逐舰USS Chafee DDG-90的“大鼻子”
现代水面舰艇的“球鼻艏”的增加阻力影响的现实
目前世界上几种典型的驱逐舰,例如阿利·伯克级、45型、052D等都是采用了作为“声呐导流罩”的球鼻艏,主要目的就是为了安装舰艏声呐。这些“球鼻艏”都不具备降低船舶航行阻力的效果,反而为了适应声呐的结构,使的球艏线性难以进行减阻优化,使舰船的阻力增加,个别舰船的阻力因此而增加了3%以上,对于高速舰船来说有不利影响。
▲美国提康德罗加级巡洋舰CG-63考佩斯号“大鼻子”
船舶阻力的一些概念
要说起“球鼻艏”对于船舶阻力的影响,得先了解几个阻力概念:兴波阻力:船舶在航行状态下,会激起水面波浪,造成船体表面周围的压力排布发生变化。船艏的压力增大而船尾的压力减小,从而在艏尾产生压力差。压力差的改变会导致兴波阻力的产生;粘压阻力:个别舰船由于船尾的曲度猛然发生改变,经常会形成旋涡,其产生原因是水的粘性,旋涡的形成会造成水的压力减小,使得船身尾部的压力和船体前端的压力不一样,即为粘压阻力。摩擦阻力:也是因为水的粘性,船舶在航行中,船身附近会产生一薄层水流即为边界层,此时产生粘性切应力作用在船体上,使得船身表面形成摩擦力,其运动方向上的合力即为摩擦阻力。
▲船舶总阻力构成及各阻力分类之间的关系
知道了船舶的各种阻力构成,我们要了解“球鼻艏”构型对于阻力的影响,就需要使用理论研究、船模试验和数值模拟等方法进行分析。首先利用流体力学的知识结合已有的数据,建立数学模型,分析推导船舶的阻力,然后结合船模试验的数据深入研究船型和修正初期设计。然而,对于现有的各类军舰球鼻艏型来说,其线型已经确定,我们可以直接通过船模试验来测得阻力值,并且可以在船模上加装新型球艏来研究其对阻力的影响。
▲伯克级驱逐舰和052C型驱逐舰的“球鼻艏”模型
以阿利·伯克级驱逐舰船模试验为例
关于研究军用舰艇“球鼻艏”对于阻力影响的试验研究,过程和分析过于枯燥乏味,我们这里就不再细说了,直接上结论好了。
▲阿利·伯克级驱逐舰安装三种球鼻艏船模结构数据
在试验过程中,以阿利·伯克船型为基础制作出HG07船模,并分别加装两种不同的“球鼻艏”得到HG07-S1和HG07-S2两种船船模,在拖曳水池中进行船模试验,研究其兴波阻力和波形叠加的影响。根据试验结果,任何球鼻艏线型和安装位置,都不可能在整个航速区间内提高舰船的减阻效果,但是在中高航速区间内“近水线、大前伸”构型的球鼻艏,会有较好的减阻效果。而阿利·伯克级驱逐舰原装的球鼻艏则在大多数情况下,对于兴波阻力降低都是不利影响。
▲伊丽莎白女王级航母的“大前伸”球鼻艏
实际上,现代美英等国,已经在航空母舰这类船体平台大,受前伸鼻艏纵倾影响小,需要维持高速性能的舰船上使用了“近水线、大前伸”球鼻艏,以提高舰船的航速。
▲美国的“大前伸”球鼻艏
大家可以通过这些美英航母的“球鼻艏”构型照片,对比一下前文各类驱逐舰、巡洋舰的球鼻艏,就会发现其“前伸程度”十分夸张。此外,关于军用舰艇球鼻艏内的声呐构型、导流罩材料等对于球鼻艏型和安装位置的影响,我们下次再说吧。
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